DE2140401A1

DE2140401A1 - Flammrohr fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2140401A1
Application number: DE19712140401
Authority: DE
Inventors: Tom Worsley Nelson
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1971-08-12
Filing date: 1971-08-12
Publication date: 1973-03-01
Also published as: DE2140401C3; DE2140401B2

Description

Flammrohr für Gas turbinen Die Erfindung betrifft ein Flammrohr für Gasturbinen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flammrohr für Gasturbinen in zweckmäßiger Form anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein erstes Rohrteil aus keramischem Material mit Öffnungen an beiden Enden, von denen eine Öffnung eine Einströmöffnung für das Flammrohr bildet, eine Leitschaufel in der Einströmöffnung, die einströmende Luft gegen die Wand des ersten Rohrteils lenkt, ein axial ausgerichtetes zweites Rohr teil, das mit Abstand an dem der Einströmöffnung gegenüber liegenden Ende des ersten Rohrteils angeordnet ist und das an seinem der Einströmöffnung gegenüber"liegenden Ende eine Öffnung hat, die die Auströmöffnung des Flammrohrs bildet, eine Anzahl von Luftkanälen in der Wand des sweiten Rohr teils und Spanneinrichtungen, die an beiden Rohr teilen angreifen und sie in ausgerichteter Abstandslage voneinander halten, wobei die Spanneinrichtungen eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen ihnen selbst und den Rohr teilen zulassen, ohne daß letztere unzulässigen Spannungen ausgesetzt sind.
Beispiele von Flammrohren gemäß der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine bildliche Darstellung eines Flammrohrs; Fig. 2 einen Teilquerschnitt längs der Ebene 2-2 durch das Flammrohr von Fig. 1; sowie Fig. 5 und 4 Längsschnitte durch alternative Formen des Flammrohrs.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Flammrohr besteht aus einem Paar axial ausgerichteter Rohrteile lo, 11.
Die Öffnungen 12, 15 an den Enden der Rohrteile lo, 11 bilden eine Einströmt und eine Ausströmöffnung des Flammrohres. Das Rohrteil lo ist aus vier identischen Quadrantschüssen 14 aufgebaut. An jedem der Schüsse 14 ist ein Paar nach außen ragender Ansätze 15 angeformt. Benachbarte Paare der Ansätze 15 werden durch Spanneinrichtungen 16 erfaßt, die die Schüsse 14 in enge Berührung miteinander bringen. Die Spanneinrichtungen 16 stehen aus einander gegenüberliegenden Spannelementen 16a, 16b, die an Stangen 17 angebracht sind. Die Stangen 17 erstrecken sich parallel zur Achse des Flammrohres. Die Spannelemente 16a, 16b sind ferner an einem Ring 18 befestigt, der das Rohrteil lo umgibt.
Das Rohrteil 11 ist in ähnlicher Weise aus vier identischen Quadrantschüssen 19 aufgebaut, die durch Spanneinrichtungen 20 mit den Spannel9menten 20a, 20b miteinander verbunden sind. Die Spannelemente 20a, 20b sind ebenfalls an den Stangen 17 befestigt, um die Rohrteile lo, 11 so in einer axialen Abstandslage zueinander zu halten, daß zwischen ihnen eine ringförmige Öffnung 21 gebildet wird. Die Enden der Stangen 17 in der Nähe der Spanneinrichtungen 20 sind an einem Ring 22 befestigt, der das Rohrteil 11 umgibt. Die gegenüberliegenden Enden der Stangen 17 sind mit Flanschen versehen, mit deren Hilfe das Flammrohr in einer später zu beschreibenden Weise in einem Traggestell montiert werden kann.
Die Flammrohrteile lo, 11 sind aus keramischem Material, vorzugsweise Siliziumnitrid, gefertigt, während die Spanneinrichtungen 16, 2o>die Stäbe 17 und Ringe 18, 22 aus Metall, vorzugsweise einer Nimonik-Legierung, hergestellt sind. Bei der Betriebstemperatur des Flammrohrs besteht ein erheblicher Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen den keramischen und den metallischen Bauteilen.
Wie in Fig. 2 dargestellt sind die Stirnflächen 15a, 15b der Ansätze 15, die an den jeweils voneinander abgewandten Seiten der Ansätze liegen, so geformt, daß sie zusammen eine keilförmige Konfiguration ergeben. Die entsprechenden Stirnflächen der Spannelemente 16a, 16b haben einen eingeschlossenen Winkel, der mit dem eingeschlossenen Winkel der Stirnflächen 15a, 15b identisch ist. Eine Temperaturerhöhung bewirkt, daß der Ring 18 sich radial stärker ausdehnt als das Rohrteil lo. I * leicher Weise dehnen sich die Spannelemente 16a, 16b und die Stange 17 in Querrichtung stärker aus als die entsprechenden Ansätze 15. Der eingeschlossene Winkel der Stirnflächen 15a, 15b wird durch den Unterschied zwischen der jeweiligen Radial- und Querausdehnung der metallischen und keramischen Teile gebildet. Infolge der Wärmeausdehnung bewegt sich daher ein Punkt auf der Innenfläche eines Spannelementes 16a, 16b in Bezug auf den benachbarten Ansatz 15 längs eines Weges, der von dem vorerwähnten Einschlußwinkel bestimmt ist. Die Spanneinrichtungen 16 bleiben deshalb Jederzeit in fester Verbindung mit den Ansätzen 15 und lassen eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zu. Die Spanneinrichtungen 20 greifen in ähnlicher Weise an den Ansätzen der Schüsse 19 des Rohrteils 11 an und ermöglichen ebenfalls eine unterschiedliche Wärme ausdehnung.
Die Schüsse 19 sind mit Löchern 23 versehen, und in der Einströmöffnung 12 ist in einer später zu beschreibenden Weise ein keramischer Leitschaufeiring (nicht dargestellt) angebracht.
Die in Fig. 3 dargestellte Alternativform des Flammrohres besteht aus einem ersten Rohrteil 30 und einem axial dazu ausgerichteten zweiten Rohrteil 31, die im wesentlichen wie die zuvor beschriebenen Rohrteile ausgebildet sind.
Das Rohrteil 30 enthält eine Vielzahl ausgerichteter kegelstumpfförmiger Keramikringe 52. Ein Paar von Keramikringen 53, 54 an den jeweiligen Enden des Rohrteils 30 werden von Metallspannringen 35, 36 erfaßt. Die Spannringe 35, 36 werden durch mit Gewinden versehene Stangen 57, die in gleichem Abstand um den Umfang des Rohrteils 5o angeordnet sind, aufeinander zugedrückt.
Die aneinander anliegenden Oberflächen der Keramikringe 33, 34 und der jeweiligen Spannringe 55, 36 sind kegelstumpfförmig ausgebildet. Die Konuswinkel der aneinander anliegenden Oberflächen sind so gewählt, daß bei erhöhten Temperaturen trotz unterschiedlicher radialer Ausdehnung zwischen den Keramikringen 32, )3, 54 und den Spannringen 55, 56 sowie der unterschiedlichen Axialausdehnung zwischen den Keramikringen und den Stangen 57 in ähnlicher Weise, wie in Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben, eine konstante Spannkraft aufrechterhalten werden kann. Die Spitzen der Kegel fallen dabei mit den Achsen der Ringe 35, 36 zusammen.
An dem Rohrteil 31 sind Ansätze 58 angeformt, an denen die Stangen 37 angreifen, und durch die Hülse 39 an den Stangen 57 wird das Rohrteil 31 in einer Abstandslage in Bezug auf das Rohr teil 30 gehalten. Das Rohrteil 31 ist mit einer Anzahl von Löchern 40 im gleichen. Abstand versehen, und an dem dem Spannring 35 benachbarten Rohrende ist eine keramische Leitschaufel (nicht dargestellt) in dem Flammrohr eingebaut. Der Spannring 35 trägt Ansätze 41, mit denen das Flammrohr in einer später in Zusammenhang mit Fig. 4 zu beschreibenden Weise in einem Traggestell montiert werden kann.
Eine weitere Alternativform des Flammrohrs ist in Fig. 4 dargestellt und besteht wie zuvor aus den Rohrteilen 45J 46, die in einer axialen Abstandslage zueinander angeordnet sind. Das Rohrteil 45 enthält ein rohrförmiges Keramikelement 47 mit einem nach außen gerichteten Flansch 48. Der Flansch 48 weist ein Paar koaxialer kegelstumpfförmiger Flächen 49, 50 auf.
Der Flansch 48 wird von einem Paar Metallspannringen 51, 52 erfaßt, die ebenfalls kegelstumpfförmige Flächen aufweisen und an den Flächen 49, 50 angreifen. Die Innern winkel der kegelstumpfförmigen Flächen der Ringe 51, 52 sind mit den Innenwinkeln der jeweils anliegenden Flächen 49, 50 identisch, und die Spitzen der Kegel fallen miteinander und mit der Achse des Elementes 47 zusammen.
Die axiale Abmessung des Rings 51 in dem-Ring 52 ist kleiner als die axiale Abmessung des Rings 52 selbst.
Bei einer Wärmeausdehnung bewegt sich daher die Spannfläche des Ringes 52 von der Spannfläche des Rings 51 weg. Die radiale Ausdehnung der Ringe 51, 52 ist größer als diejenige des Keramikelementes 47. Die Innenwinkel der kegelstumpfförmigen Spannflächen sind so gewählt, daß die Ringe 51, 52 den Flansch 48 so, wie im wesentlichen im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben, mit konstanter Spannkraft eingespannt halten.
Das Rohrteil 46 hat ein rohrförmiges Keramikelement 55, das, wie vorstehend beschrieben, mit Hilfe der Spannring 54, 55 befestigt ist. Die Ringe 52, 55 sind miteinander durch einen Zylinder aus Streckmetallgewebe verbunden, wie es unter dem Warenzeichen "Expamet" im Handel ist. Das Element 53 ist mit einer Anzahl Löchern 56 in gleichem Abstand versehen.
In dem Ring 51 ist eine keramische Leitschaufel 57 montiert. Die Leitschaufel 57 ist an einer Metallhalterung 58 durch eine Anordnung befestigt, die, wie oben beschrieben, eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zulässt. Die Halterung 58 ist an dem Ring 51 durch eine Anzahl radial nach außen gerichteter Rohre 59 befestigt, die auf nach innen gerichteten Stangen 6o gleiten können, die an dem Ring 51 angebracht sind. An dem Ring 51 sind Ansätze 66 vorgesehen, die zur Montage des Flammrohres an einer Endplatte 61 dienen, die einen Teil eines Traggestells bildet, das allgemein bei 62 dargestellt ist. Das Gestell 62 bildet einen ringförmigen Raum 63 um das Flammrohr.
Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen kann ein geeignetes Packungsmaterial zwischen die einander zugewandten Keramik- und Metallflächen eingebracht werden Ein derartiges Packungsmaterial ist im Handel unter dem Warenzeichen "Fibrefax" und 'Kao-Wool" erhältlich.
Der Betrieb eines Flammrohres gemäß der Erfindung wird anhand des Beispiels der Fig. 4 beschrieben, doch ist es seibstverstindlich, daß die anderen Ausführungsformen beim Einsatz in ähnlicher Form arbeiten.
Axial in der Leitschaufel 57 ist eine Brennstoff-Zerstäubungsvorrichtung 64 montiert.Dem Ringraum 63 wird unter Druck stehende Luft zugeführt, die zwischen der Leitschaufel 57 und dem Element 47 hindurchströmt. Ferner tritt durch den Spalt zwischen dem ersten und zweiten Rohrteil Luft in das Flammrohr ein. Die Luftströme wirken zusammen und bilden in dem ersten Rohrteil 45 Wirbel, in denen die Verbrennung stattfindet. Die durch das zweite Rohrteil 46 strömenden Gase werden durch Luft verdünnt, die durch die Löcher 56 eintritt.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche Flammrohr für Gasturbinen, gekennzeichnet durch ein erstes Rohrteil (1o, Do, 45) aus keramischem Material mit Öffnungen an beiden Enden, von denen die eine Öffnung eine Einströmöffnung für das Flammrohr bildet, eine Leitschaufel (nicht dargestellt und 57) in der Einströmöffnung, die einströmende Luft gegen die Wand des ersten Rohrteiles (1o, 30, 45) lenkt, ein axial ausgerichtetes zweites Rohrteil (11, 51> 46), das mit Abstand an dem der Einströmöffnung gegenüber liegenden Ende des ersten Rohrteiles (1o, 5o, 45) angeordnet ist und das an seinem der Einströmöffnung gegenüber liegenden Ende eine Öffnung hat, die die Ausströmöffnung des Flammrohres bildet, eine Anzahl von Luftkanälen (25, 40, 56) in der Wand des zweiten Rohrteiles (11, 31, 46) und Spanneinrichtungen, die an beiden Rohrteilen (lo, 11, 30, 51, 45, 46) angreifen und sie in ausgerichteter Abstandslage voneinander halten, wobei die Spanneinrichtungen eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen ihnen selbst und den Rohrteilen (1o, 11, 50, 51, 45, 46) zulassen, ohne daß letztere unzulässig hohen Spannungen ausgesetzt sind.

2. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrteil (10) aus einer Anzahl gebogener Schüsse (14) besteht, die miteinander verbunden sind.

5. Flammrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrteil (lo) aus vier im wesentlichen identischen Quadrantschüssen (14) besteht.

4. Flammrohr nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüsse (14)Paare nach außen gerichteter Ansätze (15) aufweisen, von denen jeder Ansatz an einem Ansatz eines benachbarten Schusses anliegt.

5. Flammrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander abgewandten Flächen (15a, 15b) der aneinander anliegenden Ansätze (15) eine Keilform bilden, deren Spitze zum Innern des Flammrohres gerichtet ist, 6. Flammrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Spanneinrichtungen (16, 20) zum Verbinden der beiden Rohrteile (lo, 11) und der Schüsse (14) vorgesehensLnd, die aus Paaren von Spannelementen (16a, 16b), die spannend an den jeweiligen Paaren der Ansätze (15) angreifen und einer Anzahl axial sich erstreckender Elemente (17) bestehen, die an den Paaren der Spannelemente (16a, 16b) und dem zweiten Rohrteil (11) befestigt sind.

7. Flammrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtungen ferner einen Tragring (22) umfassen, der an den Spannelementenpaaren (16a, 16b) befestigt ist und das erste Rohrteil (lo) umgibt.

der 8. Flammrohr nach einem oder mehreren Anspruches 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rohrteil (11) aus keramischem Material gefertigt ist und aus einer Anzahl gebogener Schüsse (19) besteht, die durch Spanneinrichtungen (20) aneinander befestigt sind.

9. Flammrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Schüsse (19) des zweiten Rohrteils (11) die gleiche wie die Anzahl der Schüsse (14) des ersten Rohrteils (lo) ist.

lo. Flammrohr nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüsse (19) des zweiten Rohrteils (11) Paare nach außen gerichteter Ansätze aufweisen, von denen jeder Ansatz an einem Ansatz des benachbarten Schusses anliegt.

11. Flammrohr nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die einander abgewandten Flächen der Paare aneinander anliegender Ansätze eine Keilform bilden, deren Spitze zum Innern des Flammrohres hin gerichtet ist.

12. Flammrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11,- dadurch gekennzeichnet, daß Spanneinrichtungen (20) vorgestenen sind, die aus Paaren von Spannelementen (20a, 20b) bestehen, die an den jeweiligen Paaren der Ansätze spannend angreifen und an den axial sich erstreckenden Elementen (17) befestigt sind.

13. Flammrohr nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtungen ferner einen Ring (22) umfassen, der das zweite Rohrteil (11) umgibt und an dem axial sich erstreckenden Element (17) befestigt ist.

14. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrteil (30) aus einer Anzahl axial ausgerichteter kegelstumpfförmiger Ringe (32) besteht, die durch Verbindungselemente (35, 36, 37) gegeneinander gedrückt werden.

15. Flammrohr nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrteil ()o) an einem Ende einen Ring ()4) mit einer ersten kegelstumpfförmigen Fläche die an der Fläche eines benachbarten kegelstumpfförmigen Ringes (32) anliegt, und eine zweite kegelstumpf förmige Fläche aufweist, deren Spitze zum Innern des Flammrohres hin, aber entgegengesetzt zur Richtung der Spitzen der kegelstumpfförmigen Ringe (52) gerichtet ist.

16. Flammrohr nach Anspruch 14 oder 159 dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungselemente (55» 36, 37) vorgesehen sind, die aus einem Paar Spannringe ()5n36), die an den Endringen (32) des ersten Rohrteils ()o) anliegen, und Elementen (37) bestehen, die die Spannringe (35, )6) aufeinander zu drücken.

17. Flammrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (55, 36, 57) einen Teil der Spanneinrichtung bilden und die Elemente ()7), die die Spannringe (55, )6) aufeinander zu drücken, aus einer Anzahl von Stangen (37) bestehen die auch an dem zweiten Rohrteil ( befestigt sind.

18. Flammrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohrteil (45) einen Flansch (48) mit einem Paar im wesentlichen koaxialer kegelstumpfförmiger Flächen (49, 5o) aufweist, deren Spitzen im wesentlichen miteinander und mit der Achse des Flammrohres zusammenfallen, und daß Spanneinrichtungen vorgesehen sind, die aus einem ersten und einem zweiten Ring (51, 52) bestehen, koaxial zu dem ersten Rohrteil (45) angeordnet sind und kegelstumpfförmige Flächen haben, deren Einschlußwinkel im wesentlichen gleich den Einschlußwinkeln der betreffenden Flächen (49, 50) des Flansches (48) sind, und daß Elemente zum Verbinden der Ringe miteinander verbunden sind.

19. Flammrohr nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtungen ein im wesentlichen zylindrisches gelochtes Blech umfassen, das die Rohrteile (45, 46) umgibt, an dem einen Ring (52) befestigt ist und das zweite Rohrteil (46) trägt.

20 .Flammrohr nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rohrteil (46) aus keramischem Material gefertigt ist und einen Flansch mit einem Paar im wesentlichen koaxialer kegelstumpfförmiger Flächen aufweist, deren Spitzen im wesentlichen miteinander und mit der Achse des Flammrohres zusammenfallen, daß Spanneinrichtungen vorgesehen sind, die aus einem dritten und vierten Ring (54, 55) bestehen und kegelstumpfförmige Flächen haben, deren Einschlußwinkel im wesentlichen gleich den Einschlußwinkeln der jeweiligen Flächen des zugehörigen Flansche-s sind, und daß Elemente zum Verbinden des dritten und vierten Ringes (54, 55) vorgesehen sind.

21. Flammrohr nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material Siliciumnitrid ist.

22. Flammrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des ersten Rohrteils (1o, 3Q, 45) Siliciumnitrid ist.

25. Flammrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufel (nicht dargestellt und 57) aus keramischem Material gefertigt ist.